第九章  直线、平面、简单几何体(B)
 §9.4 空间向量及坐标运算

复习目标 知识梳理 应用举例 实践体验 拓展探究 基础训练 提高训练 学习感悟

    一、复习目标
    理解空间向量的概念,掌握空间向量的加法、减法、数乘和数量积运算及其性质;理解共线向量定理和共面向量定理及它们的推论;掌握空间向量基本定理及其推论;理解直线的方向向量、平面的法向量、向量在平面内的射影等概念.

    理解空间向量坐标的概念,掌握空间向量的坐标运算;掌握用直角坐标计算空间向量数量积的公式;掌握空间两点间距离公式.

    会用上述知识解决立体几何中有关的简单问题.

    二、重点难点
    (这里输入)

    三、特别提示
    (1)空间向量的知识和内容是在平面向量知识的基础上产生和推广的,因此,可以利用类比平面向量的方法,解决本节的很多内容.

 

    (2)用向量方法解决立体几何问题时,关键是一个几何问题向量化的转化过程,从建立基向量,到表示相关向量,到应用向量的有关运算,到结论得出,构成一个非常严密的解(证)题过程,这也代表着立体几何的一个发展趋势.

 

    (3)运用空间向量的坐标运算解决立体几何问题时,一般步骤为:

    ①建立恰当的空间直角坐标系(例如:底面是矩形的直四棱柱,以底面其中一个顶点为原点建立空间直角坐标系;底面是菱形的直四棱柱,往往以底面对角线交点为原点建立空间直角坐标系);

    ②求出相关点的坐标;

    ③写出向量的坐标;

    ④结合公式进行论证,计算;

    ⑤转化为几何结论.

    建立空间直角坐标系,必须牢牢抓住相交于同—点的两两垂直的三条直线,要在题目中找出或构造出这样的三条直线,因此,要充分利用题目中所给的垂直关系(即线线垂直、线面垂直、面面垂直),同时要注意,所建立的坐标系必须是右手空间直角坐标系.

 

    (4)借助空间向量可将立体几何中的平行、垂直、夹角、距离等问题转化为向量的坐标运算.

    ①平行问题`rArr`向量共线,注意重合;

    ②垂直问题`rArr`向量的数量积为零,注意零向量;

    ③距离问题`rArr`向量的模,注意向量的垂直;

    ④求角问题`rArr`向量的夹角,注意角范围的统一.

    知识梳理

    1、空间向量的有关概念

    (1)把具有大小和方向的量叫做向量,其长度叫做空间向量的模.

    (2)同向且等长的有向线段表示同一向量或相等的向量.

 

    2、空间向量的加法与数乘向量运算的运算律:
    (1)加法交换律:`vec(a)+vec(b)=vec(b)+vec(a)`
    (2)加法结合律:`(vec(a)+vec(b))+vec(c)=vec(a)+(vec(b)+vec(c))

    (3)数乘分配律:`lambda(vec(a)+vec(b))=lambdavec(a)+lambdavec(b)`

 

    3、共线向量与共面向量
    (1)共线向量定理:对空间任意两个向量`vec(a)、vec(b)(vec(b)!=vec(0))`,`vec(a)"//"vec(b)`的充要条件是存在实数`lambda`,使`vec(a)=lambdavec(b)`.

    推论:如果`l`为经过已知点`A`平行于已知非零向量`vec(a)`的直线,那么,对任一点`O`,点`P`在直线`l`的充要条件是存在实数`t`,满足等式`vec(OP)=vec(OA)+tvec(a)`,其中向量`vec(a)`叫做直线`l`的方向向量.

 

    (2)共面向量定理:如果两个向量`vec(a)、vec(b)`不共线,则向量`vec(p)`与向量`vec(a)、vec(b)`共面的充要条件是存在实数对`x、y`,使`vec(p)=xvec(a)+yvec(b)`.

    推论:空间一点`P`位于平面`MAB`内的充分必要条件是存在有序数对`x、y`,使`vec(MP)``=xvec(MA)+``yvec(MB)`,或对空间任一定点`O`,有`vec(OP)``=vec(OM)+``xvec(MA)+``yvec(MB)`.

 

    4、空间向量基本定理:如果三个向量`vec(a)、vec(b)、vec(c)`不共面,那么对空间任一向量`vec(p)`,存在一个唯一有序实数对`x`、`y`、`z`,使`vec(p)=xvec(a)+yvec(b)+zvec(c)`.由此可知,如果三个向量`vec(a)`、`vec(b)`、`vec(c)`不共面,那么所有空间问量所组成的集合就是`{vec(p)|``vec(p)=xvec(a)+yvec(b)+zvec(c),x、y、zinR}`,这个集合可看作是由向量`vec(a)`、`vec(b)`、`vec(c)`生成的,把`{vec(a)、vec(b)、vec(c)}`叫做空间的一个基底,`vec(a)`、`vec(b)`、`vec(c)`都叫做基向量.

    推论:设`O、A、B、C`是不共面的四点,则对空间任一点`P`,都存在唯一有序实数对`x、y、z`,使`vec(OP)``=xvec(OA)+``yvec(OB)+``zvec(OC)`.

 

    5、两个向量的数量积
    (1)已知空间向量`vec(a)、vec(b)`,则`|vec(a)||vec(b)|cos<vec(a),vec(b)>` 叫做向量`vec(a),vec(b)`的数量积,记作`vec(a)·vec(b)`,即`vec(a)·vec(b)=|vec(a)||vec(b)|cos<vec(a),vec(b)>`.

 

    (2)空间向量数量积的性质:

    ①`vec(a)·vec(e)=|vec(a)|cos<vec(a),vec(e)>` 

    ②`vec(a)_|_vec(b)hArrvec(a)·vec(b)=0` 

    ③`|vec(a)|^2=vec(a)·vec(a)`

 

    (3)空间向量数量积的运算律:

    ①`(lambdavec(a))·vec(b)=lambda(vec(a)·vec(b))` 

    ②`vec(a)·vec(b)=vec(b)·vec(a)`(交换律)

    ③`vec(a)·(vec(b)+vec(c))=vec(a)·vec(b)+vec(a)·vec(c)`(分配律)

 

    6、空间直角坐标系

    (1)如果空间的一个基底的三个基向量互相垂直,且长度为1,则这个基底叫做单位正交基底.

 

    (2)在空间直角坐标系中,让右手拇指指向`x`轴的正方向,食指指向`y`轴的正方向,如果中指能指向`z`轴的正方向,则称这个坐标系为右手直角坐标系.

 

    (3)如图,`vec(i)、vec(j)、vec(k)`为坐标向量(单位向量、正交基底),对于空间任一点`A`,对应一个向量`vec(OA)`,于是存在唯一的唯一有序实数对`x`、`y`、`z`,使`vec(OA)=xvec(i)+yvec(j)+zvec(k)`,这个数组`(x、y、z)`叫做`A`点在空间直角坐标系下的坐标,记作`A(x、y、z)`.   

   

    7、向量的直角坐标运算

    设`vec(a)=(a_1,a_2,a_3)`,`vec(b)=(b_1,b_2,b_3)`,

    则`vec(a)+vec(b)=(a_1+b_1,a_2+b_2,a_3+b_3)`;

    `vec(a)-vec(b)=(a_1-b_1,a_2-b_2,a_3-b_3)`

    `lambdavec(a)=(lambdaa_1,lambdaa_2,lambdaa_3)`

    `vec(a)·vec(b)=a_1b_1+a_2b_2+a_3b_3`

    `vec(a)"//"vec(b)hArra_1=lambdab_1,a_2=lambdab_2,a_3=lambdab_3(lambdainR)`

    `vec(a)_|_vec(b)hArra_1b_1+a_2b_2+a_3b_3=0`

    设`A(x_1,y_1,z_1)`,`B(x_2,y_2,z_2)`,则

    `vec(AB)=vec(OB)-vec(OA)=(x_2,y_2,z_2)-(x_1,y_1,z_1)`

    `=(x_2-x_1,y_2-y_1,z_2-z_1)`

   

    8、在空间直角坐标系中,已知`A(x_1,y_1,z_1)`,`B(x_2,y_2,z_2)`,

    则`d_(AB)=|AB|=sqrt(vec(AB)·vec(AB))``=sqrt((x_2-x_1)^2+(y_2-y_1)^2+(z_2-z_1)^2)`,

    其中`d_(AB)`表示`A`与`B`两点间的距离,这就是空间两点间的距离公式.

    应用举例
    一、应用特点
    1、运用空间向量的坐标运算解决空间中的垂直问题
    2、运用向量平行的充要条件解决立体几何中的平行问题
    3、运用向量的坐标运算解决立体几何中的角和距离问题

    二、案例示范
    回味相关知识与方法,寻找解题办法,若有困难,可以参考“提示”,还有困难,可以参考“解答”或倾听老师的分析示范

    1、已知正方体`ABCD-A_1B_1C_1D_1`,`P`为底面对角线`BD`上一点且`BP=3PD`,`Q`为棱`DD_1`的中点,试证:`PQ_|_`平面`A_1QC_1`

                                                      

    提示 示范  
   

    2、如图,在四棱锥`P-ABCD`中,底面`ABCD`是正方形,侧棱`PD_|_底面ABCD`,`PD=DC`,`E是PC`的中点,作`EF``_|_``PB`交`PB于点F`      

    (1)求证:`PA"//"`平面`EDB`
    (2)求证:`PB_|_`平面`EFD`

    (3)求二面角`C-PB-D`的大小

    提示 示范  

   

    3、(06·湖北)如图,在棱长为`1`的正方体`ABCD-A_1B_1C_1D_1`中,`P`是侧棱`C C_1`上的一点,`CP=m`
    (1)试确定`m`,使直线`AP`与平面`BDDB_1`所成角的正切值为`3sqrt2`;
    (2)在线段`A_1C_1`上是否存在一个定点`Q`,使得对任意的`m`,`D_1Q`在平面`APD_1`上的射影垂直于`AP`,并证明你的结论.

                                                      

    提示 示范  

    实践体验
    在实践中提高能力,在体验中反思感悟,力求独立,力求提高

    1、正四棱柱`ABCD-A_1B_1C_1D_1`,`AB=1`,`A A_1=2`,点`E`为`C C_1`的中点,点`F`是`BD_1`的中点

(1)求证:`EF`为`BD_1`与`C C_1`的公垂线

(2)求点`D_1`到平面`BDE`的距离

 
    提示 示范  

   

    2、已知正方体`ABCD-A_1B_1C_1D_1`中,`E、F`分别是`A_1D_1、A_1C_1`的中点,求      

    (1)异面直线`AE`与`CF`所成角的余弦值;
    (2)二面角`C-AE-F`的余弦值的大小
    提示 示范  

    拓展探究
    1、如图,在棱长为1的正方形`ABCD-A_1B_1C_1D_1`中,`E`、`F`分别是`D_1D、BD`的中点,`G`在棱`CD`上,且`CG=1/4CD`,应用空间向量的运算办法解决下列问题

    (1)求证:`EF_|_B_1C`

    (2)求`EF`与`C_1G`所成的角的余弦值

 

    提示 示范  

 

    基础训练
    参考答案

 
    提高训练
    参考答案

    学习感悟
    1、在讨论向量共线或共面时,必须注意零向量与任意向量平行,并且我们所说的向量可以平移,因而不能完全按照它们所在直线的平行性共面关系来确定向量关系.

 

    2、共线与共面向量不具有传递性.

 

    3、应用向量基本定理和向量数量积可以用于解决向量相等、垂直、夹角等问题.

    用向量解决立体几何的问题,关键是要找到几何问题的向量表示,然后将题设条件向量化,用已知向量表示出未知向量,从而转化为已知向量间的问题.根据空间向量基本定理,如果已知向量中有三个不共面的,则可以由此构成一个空间基底,其它任何向量都可以用基向量唯一表示出来,从而进行运算 .线共点、线共面、线线垂直、两异面直线所成的角、两点间的距离等等,都可由此解决.

 

    4、在应用向量数量积求异面直线所成角或线面角、二面角等问题时应结合实际,合理取舍和转化,避免出现所求值与角的范围不一致的现象.

 

    5、(1)在空间图形中,如果线段较多,关系也较为复杂(如平行、垂直、角和距离等均有涉及),此时如何入手,是用传统方法解决,还是用向量方法解决,一般较难作出判断,而且在较为综合的问题中,只用某一种方法,有时也难以奏效,常常需要多种方法灵活使用,合理结合,才能达到理想效果.

    (2)图形中如果存在三条两两垂直的线段,则可考虑以它们所在直线为坐标轴建立空间直角坐标系,设法确定点、向量的坐标,然后通过向量的坐标,利用向量坐标运算解决有关问题 .解题中应注意逻辑推导和向量运算的有机结合.

    (3)利用向量的坐标解决立体几何中的平行、垂直、求解、求距离等问题,关键是建立正确的空间直角坐标系,难点是正确表示已知点的坐标;对空间任意一点`A`,求其坐标的一般方法:过`A`作`z`轴的平行线交平面`xOy`于`B`,过`B`分别作`x、y`轴的平行线,分别交`y、x`轴于`C、D`,则由`vec(OD)`,`vec(OC)`,`vec(BA)`的长度和方向便可求得点`A`的坐标.

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